吸收塔的设计型

Y1 dY G H 填料层高度基本方程 K y a Y2 Y Y 设计型计算与操作型计算的实质是联立求解上面方程组，只是变量组合不同，问

题的提法不同。 一、设计型问题的提出 计算吸收剂用量、出口浓度及必需的塔高（填料层高度）。
吸收塔设计计算的提法是：在给定工艺条件及分离要求下，选择合理的设计参数，
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吸收过程的设计型计算
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L ( X X 2 ) Y2 G 参见图29-1，以逆流操作为例。当 G , Y1 , Y2 , X 2 已知时，吸收塔一个端 Y
点（塔顶）B( X 2 , Y2 ) 一定，当液流量 L变化时，操作线的斜率 L / G 变化，则另 一端点A将沿 Y Y1 的水平线移动。吸收剂量 — 操作线斜率 L / G — A 点向左 移动—任一截面推动力 Y —为完成一定任务所需的 H —设备费用 。但同时 由于 L 而浓度 X 1 —溶剂再生要求高，再生费用 。反之， L — H 。 L量小而 X 1 高—再生费用 。可见 L（或 L / G ）的选择也是一个经济优化问题。 另外， L （或 L / G ）的减小，在技术上受到限制，即当 L / G 降低到操作线与 平衡线相交时， X 1与 Y1 呈平衡，这是理论上 X 1所能达到的最高浓度，此时由于过
G , Y2 L, X 2
含有溶质 的吸收液
X 2 X1 G （最小气液比） L m i n Y2 Y1
Y
G , Y1
惰气 气提
Y2
Y2
B
A
Y2
Y
C
X
L, X 1
Y1
解吸液
O X1
（b）
Y1 X2
O X1 X X2
（c）
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（a）
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不过是吸收的逆过程，因此，类似的计算方法和塔设备在两个过程中都适用。
由于解吸塔的传质方向是由液相至气相，所以在 Y X图上操作线的位置必位于
相平衡线之下，如图（b）所示。操作线方程形式与吸收操作线方程完全一样。 )max mX2 ，即 (Y2 ) max Y2 。此时， 解吸操作线斜率达到最大值，或气液比最小 G / L ，即有：
G , Y1
L, X 0
Y1 AY2 AmX 0 ( A2 A 1)Y1 ( A2 A)mX 0
Yi
1
i
Xi
这样可以类推到N板下面：
G ,YN1
N
L, X N
YN1 ( AN AN1 1)Y1 ( AN AN1 A)mX 0 A N 1 1 A N 1 1 Y1 mX 0 mX 0 A1 A1
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逆流板式吸收塔
( A 1)
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吸收过程的设计型计算
AN1 1 YN1 mX0 (Y1 mX0 ) A1
AN
AN1
YN1 mX0 ( A 1) 1 Y1 mX0
YN 1 mX0 1 1 1 Y1 mX0 A A
YN1 mX 0 1 1 1 NT ln 1 ln A Y mX A A 1 0
填料塔的传质 单元数计算式
N OG
Y mX 2 A 1 1 ln 1 1 A 1 Y2 mX 2 A A
Yi 1 Y1 L ( Xi X0 ) G
Y1 AY1 AmX 0 ( A 1)Y1 AmX 0
在2～3板间，将 X 2 Y2 / m 代入相应的操作线方程可得：
Y3 Y1 L L Y ( X 2 X 0 ) Y1 2 X 0 G G m
塔内的返混
y2 x2
y1
（29-2） 吸收剂再循环
x2
L, x2 y1 Lr L
y2
x2
x1 x2 1
y2
y1
y2 x2 x1
y1
x1
L, x1
x2 x2
x1
吸收剂再循环有两种情况：1）吸收过程有显著热效应，大量吸收剂再循环可降低 吸收液出塔温度，使平衡线向下移动，全塔平均推动力反而有所提高；2）吸收的 目的在于获得高浓度液相产物。当新鲜吸收剂用量过小，以致不能保证填料良好 的润湿时，吸收剂再循环引起推动力的降低可通过传质系数的增加而获得补偿。
板式塔的理论 级数计算式
NT A1 N OG A ln A
（两式相除得）
当 A 1 即 L / G m（操作线与平衡线斜率相等）时，上式右边为0/0型不定式， 采用罗必塔法则可得：
( A 1) A ln A 1 N T N OG
此时理论板数与传质单元数在数值上相等，即 N T N OG 。
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三、理论级与理论级数
至此已基本解决了吸收塔填料层高度的计算问题。下面介绍填料层高 度的另一种计算方法—等理论板高度法。这种方法涉及到级式接触设备 （板式塔）的理论级概念与理论级数的确定。
（一）理论级概念 已知进行过程数学描述的依据是：①物料衡算方程；②相平衡关系；③过程速率
图 29 3 逆流气提解吸图解
吸收过程的设计型计算
如图（a）所示，仍沿用吸收操作的符号习惯，角标“1”为塔底，角标 “2”为塔顶，但对解吸来说，塔顶为浓端，塔底为稀端。 解吸塔设计计算的主要任务是：确定为完成工艺要求所需要的惰性气体 用量 G , kmol/h，以及所需要的填料层高度（以填料塔为例）。由于解吸过程只
程推动力Y 0 ，为达到指定分离要求所需的传质面积为无穷大，即 H 。这 种情况下的 L / G 值是最小极限值，用 ( L / G )min 表示。由图可知： A A A A Y1 Y1 Y1 Y2 Y1 Y2 L G min X 1 X 2 X 1 X 2 Y2 B Y2 B （29-1）
等因素有关，通常要由实验直接测定。
对操作线与平衡线都为直线的情况，当吸收因数 A 1 时，N T N OG ，由式 （29-11）可知，此时 H e HOG 。
四、解吸塔的设计计算
解吸是吸收的反过程，其传质方向是由液相至气相，这使过程推动力由 Y Y 变 为 Y Y ，或者由 p p 变为 p p 。可见，设法提高 p 、降低 p 对过程有利， 这为解吸方法提供了依据。通常工业上常采用的解吸方法有：①气提法—该法是 将惰性气体通入解吸塔内，由于此时 p 0（即 p p ）而使溶质从吸收剂溶液 中脱吸；②提馏法—此法是向解吸塔通入直接水蒸气，水蒸气既起惰性气体作用 ，同时又是加热介质。
方程。在填料吸收塔中，以双膜理论为依据，推出了吸收速率方程，进而推出了 填料层高度关系式。 但在板式塔中，各层塔板上气液混合剧烈，现象十分复杂，已不能用上述理论模 型解决传质速率问题。工程上采用如下处理方法： 1. 把板式塔内的每块塔板看一个“理论级(或理论板)”。理论板假设认为气液
两相在塔板上接触充分，传质完全，当气、液离开该板时，两相达到相平衡状态，
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（三）填料层的等板高度
达到一块理论板分离效果所需的填料层高度，称为填料的等板高度 （或当量高度），用 H e 表示。这样，填料层高度可表示为：
H N T He
（29-11）
H e 的数值大小反映了传质的动力学因素，它与物料性质、操作条件、填料情况
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从吸收过程原理知，提高温度有利于解吸过程。提馏法通常在塔顶设 有冷凝器，将解吸后的水蒸气冷凝，如果溶质为可溶性气体，同时冷 凝后又可分层，则可用倾析器将水和溶质分离；如溶质可凝但冷凝液
不分层，则可用蒸馏等方法分离之。
下面以应用较多的逆流气提法为例，说明解吸塔的设计计算方法。参见图 29-3
二、设计参数的选择 为要计算NOG，必须先确定塔内气、液流动方向（影响操作线方程的 形式）、入塔吸收剂浓度X2及液气比 L / G。 1. 流动方式的选择（影响操作线方程的形式） 填料塔内气液流动方式有逆流和并流两种，在 Y1、Y2 及 X 1、X 2 相同的情况下， 一般来说，逆流操作的传质推动力总是大于并流操作。为此，吸收操作通常总是 在逆流下进行。但是，两相的逆向流动有滞液作用，这限制了塔内的流率（详见 “传质设备”）。因此，对极易溶气体(m非常低)，且两种传质推动力差不多， 而滞液矛盾突出，这时可采用并流操作。 2. 入塔吸收剂浓度X2的选择 入塔吸收剂浓度 X 2的选择受两种因素制约：一个是经济因素，X 2 —传质推动力
①明确工艺要求 选定合理的参数及条件，如塔内气、液流动方式、吸收剂入
塔浓度以及液气比等，以计算传质单元数； ②收集或测定填料的体积传质系数 以确定传质单元高度。 在此基础上可以用填料层高度关系式计算塔内填料层高度。关于塔径的计算，由 于涉及塔内结构及气液相流动状态，故在传质设备中讨论。
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按上面关于理论板的假设可知，理论板数的计算只需物料衡算式（操作线方程）
与相平衡关系。 下面讨论操作线与平衡线都为直线的情况。 对图29-2所示的板式塔及规定符号，关系式如下 操作线方程
L Yi 1 Y1 ( X i X 0 ) G 相平衡关系
G , Y1
L, X 0 1
Yi
i
（29-4）
第二十九讲
吸收过程的设计型计算
一、问题的提出 三、理论级与理论级数
二、设计参数的选择
1. 操作方式的选择 2. 入塔吸收剂浓度的选择 3. 液气比的选择
1. 理论级概念
2. 理论板数的计算 3. 填料层的等板高度 四、解吸塔的设计计算 五、吸收系数